阅读说明：本技术 一种大行程快刀伺服装置 (Large-stroke fast cutter servo device ) 是由 关朝亮 彭小强 雍嘉浩 戴一帆 刘俊峰 胡皓 于 2020-05-07 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种大行程快刀伺服装置,包括安装架、刀架、柔性导向组件、刀具和两件压电陶瓷,刀架通过柔性导向组件安装在安装架上,使得刀架能够沿直线往复移动,刀具设于刀架上,两件所述压电陶瓷相对布置在安装架上,用于推动刀架往复移动。该大行程快刀伺服装置结构简单、操作便捷以及能够同时满足大行程和高频响需求。(The invention discloses a large-stroke fast knife servo device which comprises a mounting frame, a knife rest, a flexible guide assembly, a knife and two pieces of piezoelectric ceramics, wherein the knife rest is mounted on the mounting frame through the flexible guide assembly, so that the knife rest can reciprocate along a straight line, the knife is arranged on the knife rest, and the two pieces of piezoelectric ceramics are oppositely arranged on the mounting frame and used for pushing the knife rest to reciprocate. The large-stroke fast knife servo device is simple in structure, convenient to operate and capable of meeting requirements of large stroke and high frequency response.)

一种大行程快刀伺服装置

技术领域

本发明涉及超精密加工设备技术领域，尤其涉及一种大行程快刀伺服装置。

背景技术

随着光学和光电子技术的迅速发展，回转对称式的光学元件早已不能满足结构越来越复杂、功能越来越丰富的光学系统的需求，而一些具有特殊微结构表面的光学元件由于其可以实现集成、阵列、波面等特殊的成像功能，无论是在国防军工领域，还是在航空航天、光纤通信、生物医学等民用领域，都得到了越来越广泛的应用，已经逐渐成为了光学系统中不可或缺的重要核心部件。传统的机械制造方法难以胜任上面这些微阵列元件的制造任务，目前的加工技术主要分为微纳制造方法和金刚石切削加工两类。微纳制造方法包括光刻、激光直写技术、刻蚀法和全息法等，这些方法在加工范围、加工精度和加工效率等方面还有一定的缺陷难以实现为微结构光学元件的大批量、高精度的生产。目前基于单点金刚石切削的快速刀具伺服(FTS，Fast Tool Servo)技术已经逐步成为了国内外实现高精度、高效加工微纳结构器件的主流方法。

现有的快刀伺服装置基本都是基于单根压电陶瓷推动刀具运动的驱动原理，采用带柔性导向的刀架传递压电陶瓷的动力输出，柔性导向刀架必须要在将压电陶瓷的高频运动准确传递给刀具的同时，还需要提供刀具跟随压电陶瓷回程的力(回复力)。根据研究表明，增加柔性导向的刚度有利于提高刀架对复杂面形的跟踪性能，同时也有利于整个快刀系统的固有频率的提升。但压电陶瓷的最大输出位移同时也会受到柔性导向刚度的影响，令ΔL₀为压电陶瓷空载时的最大输出位移，ΔL为压电陶瓷实际的最大输出位移，k_p为压电陶瓷刚度，k为柔性导向刚度，则实际的最大输出位移和压电陶瓷本身的最大输出位移满足关系式可知，柔性导向刚度的提高会造成压电陶瓷的位移损失，降低系统的最大输出位移，并且柔性导向的刚度越大，系统的最大输出位移就越小。

综上所述，柔性导向的刚度选取对快刀伺服系统的性能有很大的影响，刚度越大，动态性能越好；刚度越小，系统的最大输出位移就越大。这就造成了最大输出位移和系统频响之间的矛盾，仅仅通过对柔性导向的结构和刚度优化很难去克服单压电陶瓷快刀伺服系统的固有缺陷。因此，如何克服这一固有缺陷，同时兼顾FTS加工技术的大行程和高频响的需求，是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构简单、操作便捷以及能够同时满足大行程和高频响需求的大行程快刀伺服装置。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种大行程快刀伺服装置，包括安装架、刀架、柔性导向组件、刀具和两件压电陶瓷，所述刀架通过柔性导向组件安装在安装架上，使得刀架能够沿直线往复移动，所述刀具设于刀架上，两件所述压电陶瓷相对布置在安装架上，用于推动刀架往复移动。

作为上述技术方案的进一步改进：

一件所述压电陶瓷的控制信号设为V_A，所述V_A＝0.5asin(2πt)+a，另一件所述压电陶瓷的控制信号设为V_B，所述V_B＝0.5asin(2πt-π)+a，其中，a为压力陶瓷输出最大位移时对应的电压值，t为压力陶瓷的工作时长。

所述刀架为方框结构，两件所述压电陶瓷均设于刀架内，一件所述压电陶瓷的伸缩端抵接于刀架的一端，另一件所述压电陶瓷的伸缩端抵接于刀架的另一端。

所述刀架于与各压电陶瓷的抵接处均设有抵紧螺钉，各所述抵紧螺钉抵接在相应的压电陶瓷上。

所述抵紧螺钉上设有抵紧球，所述压电陶瓷相对抵紧球的位置上设有圆孔，所述抵紧螺钉通过抵紧球抵紧在圆孔中。

所述柔性导向组件包括偶数个的柔性件，各所述柔性件对称分布于刀架的两侧，所述柔性件包括安装板和设于安装板两侧的柔性板，所述安装板安装在安装架上，所述柔性板连接在安装板与刀架之间。

所述柔性板与刀架一体成型。

所述安装架上设有电容传感器，用于测量刀具的位移。

所述刀具设于刀架的一端，所述电容传感器位于刀架的另一端。

所述安装架包括底板和固定座，所述固定座可拆卸地固定在底板上，两件所述压电陶瓷相对固定在固定座的两侧。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本大行程快刀伺服装置使用另一件压电陶瓷的推力代替传统的快刀伺服装置(只有一件压电陶瓷)中的柔性导向组件(如柔性铰链)提供刀具回程的回复力，即减少了柔性导向组件的刚度对装置动态性能的影响，这就使得在设计柔性导向组件时可以选择更小的刚度值，这样，与传统的单压电陶瓷快刀伺服装置比较，根据所述关系式由于当压电陶瓷空载时的最大输出位移ΔL₀不变即两种装置采用同一款压电陶瓷时，本装置的柔性导向组件刚度k_p可选择更小，则压电陶瓷的实际输出位移ΔL可以得到明显的提升，从而有效提升快刀伺服装置的工作行程；

2、在传统的单压电陶瓷快刀伺服装置中，在进刀时，带动刀具运动的刀架受到的是方向相反的压电陶瓷推力和柔性铰链弹性力造成的阻力的合力，而在退刀时，刀架仅受到柔性铰链弹性力提供的回复力，这就会造成进刀和退刀时系统的位移传递函数不一致，给控制上带来了较大的难度，而在本发明的快刀伺服装置中，无论是进刀还是退刀，带动刀具运动的刀架受到的均是方向相反的压电陶瓷推力和柔性导向组件弹性力造成的阻力的合力，系统的位移传递函数一致，给控制设计上带了很大的便利，有利于提高控制精度；

3、柔性导向组件和刀架均是以压电陶瓷为对称轴的对称结构，如此，柔性导向组件在传递推力时能够消除轴向方向(刀具进给方向)以外的影响因素，仅保留对刀具轴向方向的改动，提高了刀具在运动中的精度。

附图说明

图1是本发明大行程快刀伺服装置的第一视角结构示意图。

图2是本发明大行程快刀伺服装置的第二视角结构示意图。

图3是图2中A处的放大图。

图4是本发明大行程快刀伺服装置的柔性导向组件和刀架的结合图。

图5是本发明大行程快刀伺服装置的压电陶瓷的结构示意图。

图6是本发明大行程快刀伺服装置的底板的结构示意图。

图7是本发明大行程快刀伺服装置的固定座的结构示意图。

图8是本发明大行程快刀伺服装置在中间位置的结构简图。

图9是本发明大行程快刀伺服装置在进刀状态的结构简图。

图10是本发明大行程快刀伺服装置在退刀状态的结构简图。

图中各标号表示：

1、安装架；11、底板；12、固定座；2、刀架；3、柔性导向组件；31、柔性件；311、安装板；312、柔性板；4、刀具；5、压电陶瓷；51、圆孔；6、抵紧螺钉；61、抵紧球；7、电容传感器。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

图1至图7示出了本发明大行程快刀伺服装置的一种实施例，本大行程快刀伺服装置包括安装架1、刀架2、柔性导向组件3、刀具4和两件压电陶瓷5，刀架2通过柔性导向组件3安装在安装架1上，使得刀架2能够沿直线往复移动，刀具4设于刀架2上，两件压电陶瓷5相对布置在安装架1上，用于推动刀架2往复移动。使用时，安装架1固定在机床的Z轴溜板上，跟随机床的Z轴溜板一起运动。本大行程快刀伺服装置使用另一件压电陶瓷5的推力代替传统的快刀伺服装置(只有一件压电陶瓷5)中的柔性导向组件3(如柔性铰链)提供刀具4回程的回复力，即减少了柔性导向组件3的刚度对装置动态性能的影响，这就使得在设计柔性导向组件3时可以选择更小的刚度值，这样，与传统的单压电陶瓷快刀伺服装置比较，根据所述关系式由于当压电陶瓷5空载时的最大输出位移ΔL₀不变即两种装置采用同一款压电陶瓷5时，本装置的柔性导向组件3刚度k可选择更小，则压电陶瓷5的实际输出位移ΔL可以得到明显的提升，从而有效提升快刀伺服装置的工作行程；在传统的单压电陶瓷快刀伺服装置中，在进刀时，带动刀具4运动的刀架2受到的是方向相反的压电陶瓷5推力和柔性铰链弹性力造成的阻力的合力，而在退刀时，刀架2仅受到柔性铰链弹性力提供的回复力，这就会造成进刀和退刀时系统的位移传递函数不一致，给控制上带来了较大的难度，而在本发明的快刀伺服装置中，无论是进刀还是退刀，带动刀具4运动的刀架2受到的均是方向相反的压电陶瓷5推力和柔性导向组件3弹性力造成的阻力的合力，系统的位移传递函数一致，给控制设计上带了很大的便利，有利于提高控制精度。该大行程快刀伺服装置结构简单、操作便捷以及能够同时满足大行程和高频响需求。

本实施例中，一件压电陶瓷5的控制信号设为V_A，V_A＝0.5asin(2πt)+a，另一件压电陶瓷5的控制信号设为V_B，V_B＝0.5asin(2πt-π)+a，其中，a为压力陶瓷5输出最大位移时对应的电压值，t为压力陶瓷5的工作时长。这样，就可以实现在一根压电陶瓷5伸长驱动装置的进刀过程时，另一根压电陶瓷5缩短相同的距离，完成进刀和退刀的动作。两件压电陶瓷5的控制信号幅值相同，且变化规律正好相反。

本实施例中，如图4所示，刀架2为方框结构，两件压电陶瓷5同轴布置在刀架2内，一件压电陶瓷5的伸缩端抵接于刀架2的一端，另一件压电陶瓷5的伸缩端抵接于刀架2的另一端。刀具4通过刀座安装在刀架2上，两件压电陶瓷5用于使刀架2能够在刀具4进给方向带动刀具4往复移动。

本实施例中，如图1至图3所示，刀架2于与各压电陶瓷5的抵接处均设有抵紧螺钉6，各抵紧螺钉6抵接在相应的压电陶瓷5上。通过旋拧抵紧螺钉6，可以调节对压电陶瓷5的预紧力，即便压电陶瓷5预紧力的调节，同时，也方便了刀架2的拆装。

本实施例中，如图1、图2、图3和图5所示，抵紧螺钉6上设有抵紧球61，压电陶瓷5相对抵紧球61的位置上设有圆孔51，抵紧螺钉6通过抵紧球61抵接在圆孔51中。具体地，刀架2的两个侧端面开设有螺纹孔，各抵紧螺钉6穿过各自的螺纹孔并与该螺纹孔螺纹连接，抵紧螺钉6的尾部将抵紧球61抵在压电陶瓷5端部的圆孔51上，通过调节抵紧螺钉6调节压电陶瓷5的预紧力。

本实施例中，如图1、图2和图4所示，柔性导向组件3包括偶数个的柔性件31，各柔性件31对称分布于刀架2的两侧，柔性件31包括安装板311和设于安装板311两侧的柔性板312，安装板311安装在安装架1上，柔性板312连接在安装板311与刀架2之间。具体地，柔性件31为四个，四个柔性件31以压电陶瓷5为轴对称分布，且柔性板312的一端与刀架2一体成型，另一端铰接在安装板311上。柔性板312可由单根板簧构成，其功能是在使刀架2沿刀具4进给方向受到的运动阻力足够小的同时在其他方向产生的位移又足够小，从而保证刀具4的高精度直线运动和高精度的加工量。柔性导向组件3和刀架2均是以压电陶瓷5为对称轴的对称结构，如此，柔性导向组件3在传递推力时能够消除轴向方向(刀具4进给方向)以外的影响因素，仅保留对刀具4轴向方向的改动，提高了刀具4在运动中的精度。

本实施例中，如图1至图3所示，安装架1上设有电容传感器7，用于测量刀具4的位移。具体地，刀具4设于刀架2的一端，电容传感器7位于刀架2的另一端。安装架1上通过螺栓固定有安装台，安装台上设有V型槽，电容传感器7固定在安装台的V型槽中，其测量面正对刀架2的侧端面，电容传感器7与传感器电源和信号处理模块连接。

本实施例中，如图1、图2、图6和图7所示，安装架1包括底板11和固定座12，固定座12通过螺栓可拆卸地固定在底板11上，两件压电陶瓷5相对固定在固定座12的两侧。压电陶瓷5的两端分别由固定座12和抵紧螺钉6限位，通过调节抵紧螺钉6调节压电陶瓷5的预紧力。压电陶瓷5尾部(压电陶瓷5与刀架2抵接的一端为头部)开设有中心螺纹孔，固定座12上有与压电陶瓷5尾部的中心螺纹孔同心的通孔，通过螺栓将压电陶瓷5的尾部固定在固定座12上。

大行程快刀伺服装置的工作原理如图8至图10所示，图8是本发明大行程快刀伺服装置在中间位置的结构简图；图9是本发明大行程快刀伺服装置在进刀状态的结构简图；图10是本发明大行程快刀伺服装置在退刀状态的结构简图。其中，X为进刀方向。原理如下：

1、两件压电陶瓷5同时从初始长度开始伸长一定的长度达到中间位置(如图8所示)，之后通过抵紧螺钉6施加相同的预紧力完成对压电陶瓷5的预紧；

2、靠近刀具4的压电陶瓷5继续伸长一段长度，与此同时，远离刀具4的压电陶瓷5收缩相同的长度，在靠近刀具4的压电陶瓷5的推动下，刀架2带动刀具4完成进刀动作，达到如图9所示的进刀状态；

3、反之，远离刀具4的压电陶瓷5伸长一段长度，与此同时，靠近刀具4的压电陶瓷5收缩相同的长度，在远离刀具4的压电陶瓷5的推动下，刀架2带动刀具4完成进刀动作，达到如图10所示的退刀状态；

4、通过反复执行步骤2和步骤3实现刀具4的快速伺服运动从而完成对工件的切削运动。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。